在線檢測技術(shù)的應(yīng)用及分析

隨著汽車行業(yè)自動化水平的不斷提高，一些傳統(tǒng)的檢測方式已不能適應(yīng)高節(jié)拍、柔性化的生產(chǎn)需求，自動的具有實時監(jiān)控功能的在線機(jī)器視覺檢測技術(shù)逐漸在主流生產(chǎn)廠家得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。本文針對該項技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹，希望其能被更多廠家應(yīng)用于更多領(lǐng)域中。

視覺檢測系統(tǒng)

1.視覺檢測系統(tǒng)組成及功能

視覺檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件系統(tǒng)包括鏡頭、光源和工業(yè)攝像（接收系統(tǒng)），軟件系統(tǒng)包括圖像識別系統(tǒng)和核心計算法等，視覺系統(tǒng)的光源通常采用發(fā)散性小、精度高的激光作為介質(zhì)。在自動化汽車生產(chǎn)線中，視覺系統(tǒng)必要時需要同機(jī)器人匹配應(yīng)用，并與生產(chǎn)線的PLC控制系統(tǒng)建立聯(lián)接，以實現(xiàn)測量、檢測、定位和識別的功能。視覺檢測系統(tǒng)具有如下特點：采用非接觸式測量方式，提高了相應(yīng)速度，對生產(chǎn)線影響小；具有長時間的穩(wěn)定、可靠地重復(fù)工作的性能，適用于汽車連續(xù)化的流水線作業(yè)；適合在安全風(fēng)險高、人機(jī)工程惡劣和環(huán)境差的區(qū)域工作。諸多優(yōu)點使視覺檢測系統(tǒng)在汽車行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.工作原理

視覺系統(tǒng)由多組傳感器組成，每個傳感器首先要計算出被測物的特征點，來進(jìn)行坐標(biāo)確定，然后將所有接收的數(shù)據(jù)信息擬合在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，從而完成測量。

理想的視覺變換模型如圖1所示，P_W為空間點，O（光軸與圖像平面的交叉點）為坐標(biāo)原點，以X軸為圖像列增加的方向，Y軸為圖像行增加的方向建立笛卡爾圖像直角坐標(biāo)系O-XY，像平面上與P_W為對應(yīng)的像點P的坐標(biāo)為（X，Y），O_C-X_CY_CZ_C為成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系，極為以原點O_C為投影中心，Z_C軸與成像系統(tǒng)的光軸重合，X_C、Y_C軸分別與X、Y軸平行，設(shè)定空間點P在成像系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（X_C、Y_C、Z_C），則空間任意點在圖像上任意位置都可以用空間點P_W在圖像上的投影位置P，P為投影中心O_C點與P_W的連線與圖像平面的交點，這種關(guān)系稱為中心投影點，從而建立了尺寸相對關(guān)聯(lián)。

在線檢測技術(shù)

在線檢測技術(shù)從安裝方式上分為固定式和動態(tài)式;從測量的方法上分為采用照相機(jī)拍照系統(tǒng)和激光系統(tǒng)兩種方式;從應(yīng)用領(lǐng)域上分為定位檢測功能、尺寸檢測、型面檢測和功能匹配等幾個方面。

1.在線尺寸檢測功能

(1)車身尺寸檢測功能(通常采用動態(tài)檢測方式)

定義：在生產(chǎn)線的特定位置，設(shè)置激光測量系統(tǒng)，對車身的關(guān)鍵控制點進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并能將發(fā)現(xiàn)的問題及時進(jìn)行報警。

優(yōu)點：實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)記錄、分析，能夠有效控制問題的發(fā)生范圍;采用相對傳統(tǒng)的CMM測量，測量樣本量大，能在短期內(nèi)有足夠的樣本進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析;靈活性好，通過計算機(jī)編程，可以對車身需要關(guān)注的局部(如車輛改型、新零件試制)進(jìn)行定點檢測，對問題做出準(zhǔn)確判斷;柔性好，對多車型混線生產(chǎn)有良好的兼容性;自動工作，節(jié)省人力成本。

缺點：設(shè)備初期一次性費用投入較大;測量精度比CMM低;對工位的定位精度要求相對較高。

(2)測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)如圖2所示，測量單元主要包括：

①工裝定位系統(tǒng) 工裝定位系統(tǒng)的精度和重復(fù)性(如果有單元切換)將直接影響車輛的測量精度，為避免定位系統(tǒng)的偏差影響最終的測量結(jié)果，在設(shè)計時應(yīng)做到具有良好的重復(fù)性，精度要求也相對較高，有的區(qū)域為了達(dá)到更高的精確度，甚至可以采取車身的定位孔為坐標(biāo)基準(zhǔn)點，來消除工裝的影響;

②機(jī)器人+激光測頭=測量系統(tǒng) 機(jī)器人因質(zhì)量較大，在運(yùn)動過程中振動影響較大，應(yīng)制作專門的、牢固的基座，并具有減振功能，機(jī)器人的選擇則需要考量重復(fù)精度，一般不能超過0.2mm，因在現(xiàn)場使用，激光測頭需要具有一定的防灰塵和焊接飛濺的保護(hù)設(shè)施。

③系統(tǒng)自檢系統(tǒng)(含溫度補(bǔ)償) 由于測量系統(tǒng)是由機(jī)器人、工裝和激光掃描頭組成的相對復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)受到溫度和設(shè)備本身重復(fù)性的影響較大，因此需要在使用一定的周期后對系統(tǒng)進(jìn)行精度標(biāo)定，用來進(jìn)行溫度等的補(bǔ)償，具體做法是設(shè)置基準(zhǔn)球，設(shè)置機(jī)器人的測頭進(jìn)行測量校準(zhǔn)。

④控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)可以保證設(shè)備與相關(guān)聯(lián)工位的信號系統(tǒng)的聯(lián)系，并根據(jù)編程情況調(diào)用不同的測量程序。

⑤車型識別系統(tǒng)(柔性化生產(chǎn)線) 對不同車型的檢測要有車型識別系統(tǒng)(通常是采用條碼掃描)，它在前工位進(jìn)行信息采集，傳輸至檢測工位后根據(jù)車型調(diào)用不同的測量程序。

⑥數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)應(yīng)能直接輸入至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并采取一定聲、光方式對各種尺寸、匹配問題進(jìn)行報警。

(3)工作原理

視覺測量系統(tǒng)工作原理(見圖3)：使用平面激光照射被測物體表面，采集二維平面數(shù)據(jù);使用激光線照射被測物體采集第三維數(shù)據(jù);根據(jù)采集數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件進(jìn)行分析;通過相關(guān)算法得出被測物體或特征的位移、形變以及其他幾何特征的變化。

(4)數(shù)據(jù)輸出及應(yīng)用：

如圖4所示，該案例存在的問題是某車型大燈支架批次性波動，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該車型前縱梁尺寸發(fā)生變化，供應(yīng)商新線生產(chǎn)的前縱梁尺寸不符合要求，前縱梁為兩條線進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)零件對比檢測，最終確定供應(yīng)商參照第一條生產(chǎn)線的狀態(tài)對零件進(jìn)行整改，使之尺寸狀態(tài)一致，修復(fù)后批次性波動消除。

2.四門、前后蓋、翼子板間隙和平整度匹配在線測量(固定式)

(1)設(shè)備要求 自動識別車型，完成激光測量并即時顯示測量結(jié)果。

(2)測量內(nèi)容：三車型外覆蓋件的匹配(平整度和間隙)，主要包括：前蓋與翼子板匹配;翼子板與前門匹配;前后門匹配(包括窗框);后門與后翼子板匹配;后蓋(或后舉門)與后翼子板匹配。

(3)工作原理流程 工作原理流程如圖5所示。

(4)優(yōu)點 設(shè)備為固定式，操作、保養(yǎng)相對簡單;能將一個時間段的車輛的不同部位的間隙、平整度等進(jìn)行綜合分析，為改進(jìn)提供方向;對在線車輛的匹配100%的測量，確保了車輛匹配的一致性;消除了人工測量時的測量誤差，長久來看降低了人工成本;即時發(fā)現(xiàn)問題，有利于后道工藝進(jìn)行返修;適用于大批量、連續(xù)化生產(chǎn)的質(zhì)量控制。

3.機(jī)器人裝配精確定位

在現(xiàn)場自動化工位，如頂蓋安裝、機(jī)器人激光焊接、門蓋的安裝以及自動涂膠等工藝，都需要先進(jìn)行精確定位，機(jī)器人對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后進(jìn)行正確的操作，以達(dá)到工藝的穩(wěn)定性。此種定位采取激光測量的方式，通常采用固定方式。

在此以機(jī)器人前蓋定位安裝為例(見圖6)：車輛到達(dá)工位定位，線旁設(shè)置了6組固定式激光測量裝置，前部4組測量頭分別對前蓋的兩側(cè)前后的間隙和平整度進(jìn)行測量，另外兩組測量頭對前蓋的鉸鏈安裝孔的位置進(jìn)行測量定位，機(jī)器人用抓手抓起前蓋，通過收到的數(shù)據(jù)信息不斷修正左右間隙和平整度的一致性，并對前蓋的定位孔進(jìn)行修正，然后打緊鉸鏈。

4.在線門蓋型面檢測

在線門蓋型面檢測如圖7所示，通常采用照相系統(tǒng)或激光面掃描等對外覆蓋件的輪廓或特征進(jìn)行在線檢測，減少了人工搬運(yùn)、下線的問題，實現(xiàn)100%在線檢測，面掃描也是觸發(fā)式測量設(shè)備無法完全替代的檢測方法。

此外，在線檢測設(shè)備還可以對機(jī)器人涂膠的軌跡和位置等進(jìn)行測量監(jiān)控，并對軌跡的偏差設(shè)定報警限，從而實現(xiàn)自動監(jiān)控。

結(jié)語

在線視覺檢測系統(tǒng)是當(dāng)今汽車行業(yè)自動化率不斷提升過程中不可或缺的設(shè)備，本文介紹的幾種使用方法是在實踐中較為成熟的，它有力地保障了產(chǎn)品在尺寸控制、精確定位、功能匹配和自動檢測方面的精度，未來必將在更廣闊的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，為實現(xiàn)更高自動化、更精細(xì)的質(zhì)量等方面發(fā)揮巨大的作用。